代豪杰 楊勇偉 商九坤

1河南綠色礦山工程有限公司（450002） 2 河南陸創(chuàng)工程設(shè)計(jì)有限公司（450002）3 河南建筑材料研究設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司（450002）

20 世紀(jì)60 年代末誕生了第一代UPS，這種UPS 基于可控硅整流技術(shù)，國際上稱之為有變壓器的UPS，國內(nèi)通常稱之為工頻機(jī)。而到了21 世紀(jì)初，各大UPS 廠商紛紛推出了基于IGBT 整流技術(shù)的UPS，國際上稱之為無變壓器的UPS，國內(nèi)通常稱之高頻機(jī)。高頻機(jī)相對工頻機(jī)沒有內(nèi)置輸出隔離變壓器，體積和重量大幅減小，輸入功率因數(shù)也提高到了0.99 以上，輸入諧波一般控制在3%以內(nèi)。同時(shí)，高頻機(jī)相對工頻機(jī)在效率上也有了一定的提升，因此高頻UPS 順應(yīng)著整個(gè)時(shí)代的發(fā)展，綠色環(huán)保，被越來越多的客戶所接受。

高頻機(jī)和工頻機(jī)在內(nèi)部結(jié)構(gòu)及電路上有所變化，所以不能簡單延用工頻機(jī)UPS 的配電方式給高頻機(jī)UPS 配電，文章將從UPS 電源輸入，輸出，旁路設(shè)置等角度分析相應(yīng)的配電方案。

1 UPS 電源輸入

1.1 UPS 的分類

UPS 主要有電池后備式和電池在線式，后備式UPS 正常工作的時(shí)候，設(shè)備直接使用的是市電，同時(shí)整流器和電壓轉(zhuǎn)換器為蓄電池充電，逆變器處于非工作狀態(tài)。當(dāng)市電電壓異?；驍嚯姇r(shí)，切換開關(guān)會自動切換并連通蓄電池和逆變器，此時(shí)蓄電池和逆變器開始工作供電，切換時(shí)間一般是幾毫秒到十毫秒，對于計(jì)算機(jī)類設(shè)備幾乎沒有影響，但切換初期的輸出波形是方波而不是正弦波，所以對于一些供電質(zhì)量要求比較高的設(shè)備可能會有些影響。在線式UPS 是將市電經(jīng)過整流器整流后變成直流電，一部分給蓄電池充電，另一部分則直接送到了逆變器并逆變輸出交流電，當(dāng)市電出現(xiàn)問題時(shí)，蓄電池會向逆變器提供電力，保證電力的持續(xù)輸出，不存在轉(zhuǎn)換時(shí)間。

1.2 負(fù)荷分級及供電要求

根據(jù)《供配電設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50052—2009，用電負(fù)荷應(yīng)根據(jù)供電可靠性及中斷供電所造成的損失或影響的程度，分為一級負(fù)荷、二級負(fù)荷及三級負(fù)荷，其中一級負(fù)荷應(yīng)由兩個(gè)電源供電，二級負(fù)荷的供電系統(tǒng)，宜由兩回線路供電，三級負(fù)荷可按約定供電，一般為單電源供電[1]。

1.3 雙電源自動切換裝置的選擇

當(dāng)負(fù)荷等級為三級時(shí)，UPS 僅有一路電源供電，供電形式簡單，因此不再討論。

當(dāng)負(fù)荷等級為一二級時(shí)，UPS 有兩路供電，此時(shí)UPS 進(jìn)線端需要配置雙電源自動切換裝置（ATSE）。

《民用建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 51348—2019 規(guī)定:

1）當(dāng)采用PC 級自動轉(zhuǎn)換開關(guān)電器時(shí)，應(yīng)能耐受回路的預(yù)期短路電流，且ATSE 的額定電流不應(yīng)小于回路計(jì)算電流的125%。

2）當(dāng)采用CB 級ATSE 為消防負(fù)荷供電時(shí)，所選用的ATSE 應(yīng)具有短路保護(hù)和過負(fù)荷報(bào)警功能，其保護(hù)選擇性應(yīng)與上下級保護(hù)電器相配合。

3）宜選用具有檢修隔離功能的ATSE, 當(dāng)ATSE不具備檢修隔離功能時(shí)，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)采取隔離措施。

經(jīng)查閱ABB 和施耐德等相關(guān)雙電源切換產(chǎn)品樣本技術(shù)參數(shù)，PC 級的轉(zhuǎn)換時(shí)間一般不大于1.5 s，CB 級的轉(zhuǎn)換時(shí)間一般不大于3 s。可無論是PC 級還是CB 級的ATSE，其切換時(shí)間均遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于UPS的轉(zhuǎn)換時(shí)間，所以UPS 雙電源自動切換裝置的選擇應(yīng)僅考慮是否需要短路和過載保護(hù)即可。

另外，在軌道交通行業(yè)鐵路信號設(shè)計(jì)規(guī)范中，要求聯(lián)鎖的主副電源切換時(shí)間不得大于0.15 s，無論P(yáng)C 級還是CB 級的ATSE 都不能滿足該切換要求，此時(shí)通常需使用接觸器控制兩路電源的切換，接觸器的動作時(shí)間一般是ms 級的。

1.4 UPS 輸入隔離變壓器

絕大部分UPS 廠家在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)都要求N 線保持導(dǎo)通才能保證UPS 的正常工作。而根據(jù)《民用建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范》GB51348—2019 規(guī)定，TN-C-S、TN-S 系統(tǒng)中的電源轉(zhuǎn)換開關(guān)，應(yīng)采用切斷相導(dǎo)體和中性導(dǎo)體的四級開關(guān)。因此在雙電源自動切換的短暫的時(shí)間內(nèi)，N 線會短暫斷開，從而使整個(gè)UPS失去參考中性點(diǎn)，此時(shí)，如果三相UPS 所帶負(fù)載各項(xiàng)不均衡，會造成零線電位嚴(yán)重漂移，從而引起UPS 報(bào)故障并停機(jī)。

鑒于此種情況，應(yīng)在UPS 進(jìn)線側(cè)既雙電源自動切換裝置出線側(cè)配置一臺隔離變壓器，隔離變壓器中性點(diǎn)直接接地，產(chǎn)生獨(dú)立的配電系統(tǒng)，UPS 和終端配電箱的N 線均取自該隔離變壓器中性點(diǎn)，從而保證不管是ATSE 切換亦或是旁路維修，均能保證UPS 正常運(yùn)行，具體如圖1 所示。

圖1 隔離變電器

綜上所述，在給UPS 配電時(shí)，應(yīng)根據(jù)需求選擇合適的雙電源轉(zhuǎn)換裝置，并在UPS 之前配置隔離變壓器，以免在雙電源切換過程中造成零點(diǎn)漂移，從而引起設(shè)備宕機(jī)。

2 UPS 電源輸出

工頻機(jī)和高頻機(jī)最大的區(qū)別在于高頻機(jī)輸出端沒有逆變隔離變壓器，而且由于工頻機(jī)已經(jīng)誕生幾十年，很多用戶對高頻機(jī)產(chǎn)生懷疑，認(rèn)為高頻機(jī)沒有隔離變壓器會導(dǎo)致無法降低零地電壓，無法實(shí)現(xiàn)故障隔離，抗干擾能力差，無法抑制低頻的3n 次諧波等問題，下面就從這4 個(gè)方面分別進(jìn)行闡述:

圖2 工頻機(jī)

1）零地電壓。從內(nèi)部接線來看，無論是工頻機(jī)還是高頻機(jī)，其工作的N 線均是與市電零線短接，其本身對降低零地電壓均無作用，另外，零地電壓是個(gè)頗具爭議性的問題，人們一直認(rèn)為夸大零地電壓的危害是不科學(xué)的。

2）故障隔離。變壓器本身具有交流變壓、隔離等優(yōu)點(diǎn)，但無論工頻機(jī)還是高頻機(jī)，其旁路都是直通負(fù)載的，真正的隔離只能通過整流逆變雙變換來實(shí)現(xiàn)，而不是變壓器。另外，變壓器本身就是是產(chǎn)生溫升的主要器件，而效率就是UPS 最大的可靠性，變壓器不但不能提高可靠性，反而會使可靠性降低。

3）抗干擾能力。UPS 是一種開關(guān)電源，需要在輸出端加LC 濾波器，以降低輸出電壓的諧波。高頻機(jī)在輸出端有額外的電感，該電感與輸出濾波電容一起，組成LC 濾波器。在實(shí)際的隔離變壓器中，原邊磁通并不能全部耦合到副邊，這部分磁通就形成了漏感，大部分工頻機(jī)均沒有輸出濾波電感，僅利用隔離變壓器的漏感，當(dāng)作輸出濾波器中的感抗，用于濾波。不同的是高頻機(jī)有獨(dú)立電感，而工頻機(jī)是利用了隔離變壓器的漏感，兩者沒有本質(zhì)區(qū)別。

4）抗諧波能力。諧波作為衡量輸出電壓質(zhì)量的指標(biāo)，需要計(jì)算2～50 次（100 Hz～2.5 kHz）的諧波，這部分諧波越大，電壓諧波總畸變率（THDV）越高，UPS 輸出電壓質(zhì)量越差。目前絕大部分工頻機(jī)的逆變都是用I GBT，開關(guān)頻率在1～3 kHz，而市電的頻率是50 Hz，即開關(guān)頻率是市電頻率的20～60 倍，這種較低的開關(guān)頻率，會產(chǎn)生大量的低次諧波（50 Hz、100 Hz、150 Hz）。原邊為三角形輸入的隔離變壓器，由于輸入沒有中性線，三次諧波無法通過，這樣就可以降低諧波。而高頻機(jī)的開關(guān)頻率普遍在15 K以上，是市電頻率的300 倍以上，如此高的開關(guān)頻率下，輸出電壓低次諧波含量極低，即使沒有隔離變壓器，THDV 也可以做得很低?？梢?，對于開關(guān)頻率很高的高頻機(jī)，本身就具備調(diào)制低頻諧波的能力，不需要隔離變壓器也可以實(shí)現(xiàn)低THDV。

3 UPS 維修旁路

對于小容量的UPS，生產(chǎn)廠家一般會內(nèi)置檢修旁路，但該維修旁路僅能實(shí)現(xiàn)對UPS 內(nèi)部部分元器件進(jìn)行隔離，整個(gè)UPS 柜仍處于帶電狀態(tài)，對檢修人員仍會有一定的人身危險(xiǎn)，而且如果UPS 出現(xiàn)較為嚴(yán)重的故障時(shí)，無法對其進(jìn)行不斷電換機(jī)維修，因此應(yīng)對UPS 設(shè)置專門的外置維修旁路，且該維修旁路開關(guān)應(yīng)與終端配電箱進(jìn)線開關(guān)做機(jī)械連鎖。

4 結(jié)論

隨著電路技術(shù)和半導(dǎo)體器件的發(fā)展和創(chuàng)新，UPS 電路技術(shù)經(jīng)歷了由多輸出變壓器到單輸出變壓器再到零輸出變壓器的變化過程，當(dāng)前的器件和電路技術(shù)決定了帶輸出變壓器的工頻機(jī)和不帶輸出變壓器的高頻機(jī)的可靠性都達(dá)到了很高的水平，而無變壓器的高頻UPS 在效率、體積、重量、輸入功率因數(shù)等指標(biāo)的優(yōu)勢被越來越多的客戶接受。

因此在UPS 進(jìn)行配電時(shí)，只有根據(jù)不同產(chǎn)品的自身特點(diǎn)進(jìn)行認(rèn)真分析，選擇合適的配電方案，才能使UPS 成為真正意義上的不間斷電源。